レーザーと化学の関係には二つの面がある．第一に，レーザー発振する物質自体が化学物質であるから，レーザー自体の発展と化学とは表裏一体の関係にある．化学者の書いた「レーザー化学」の本やレビューを紹介するとともに(36.1.1)，レーザー自体の発展について，特に化学者サイドから見た最近の話題について触れる．第二に，圧倒的に広くまた深い領域であるレーザーを使う新材料づくり，新化学物質の生成，および化学現象の解明について解説する．

36・1・1 レーザー化学(全般)関係の著作とレビュー

「レーザー化学」「レーザー光化学」または「レーザーと化学」と題する本は6種類出版されている．片山幹郎の著作¹⁾はI，IIの2冊からなる大著で，量子エレクトロニクスに関する詳しい解説と，その化学への応用を原著論文に準拠して解説している．土屋荘次編²⁾の著作は，レーザー分光による反応ダイナミクス研究(気相反応の詳しい機構を原子レベルで解明する研究)の本格的な解説書である．これらの著作はやや専門的であり，また詳しい．片山にはもう一つの本³⁾がある．伊藤道也の本⁴⁾はレーザー化学の基礎から生命科学にまでわたる．佐藤によるもの⁵⁾⁶⁾は材料化学への展開に重点をおいている．これら4冊は平易な，入門的な解説書である(ただし，5)は引用文献の記載も含む)．

気体レーザー発振に関係する状態に関する分光学的な解説が，「レーザー研究」誌の「分子分光学の立場から見た気体レーザーI，II，III」⁷⁾にある．以下には，最近のトピックスのいくつかをあげる．

(1) デンドリマーレーザー 色素レーザーは波長可変で使いやすいが，色素の濃度を高くすると凝集や分子間消光が起こるため，mmol/l以上には高くできない．通信総合研究所の横山ら⁸⁾は，色素(DCM)をデンドリマー(図36・1)中に入れることで，高濃度9 mmol/lを実現した．これによってレーザー出力は上がり，発振のしきい値が下がった．

(2) 波長可変中赤外レーザーの開発と化学への応用波長5~20 μm(波数2000~500 cm^-1)の中赤外領域は化学ではとても大切である．分子振動の基音(fundamental)のほとんどが，この領域に出現するからである．近赤外寄りの3~4 μm(波数3300~2500 cm^-1)帯の赤外レーザー光ならば差周波法やOPOによって比較的容易に得られるが，この領域にはC-H，N-H，O-H結合の伸縮振動が存在するだけで，多くの分子振動はもう少し低波数に出現する．そのような領域での波長可変赤外レーザーの発展はたいへん遅い．佐藤は1996年にこの領域の調査をした⁹⁾が，その後の進歩は量子カスケード(QC)レーザーと自由電子レーザー(FEL)である．

Rice大学のTittel，Curlら¹⁰⁾は差周波発生(AgGaS₂を使用)によって赤外レーザー光を得て，これを大気のモニタリングに使用した．ベル研究所のCapassoら¹¹⁾の量子カスケードレーザーは微量気体の検出に高い可能性を持ち，大気のモニタリングに用いられている．すなわちジェット推進研究所のWebsterら¹²⁾は，これ(8 μm帯，82 Kに冷却)をNASAの高高度飛行機に搭載して，メタンや酸化二窒素(N₂O)などのモニタリングをおこなった．Kosterev， Tittelら¹³⁾はPhysical Sciences(PSI)社の研究者とともに，大気中の一酸化炭素(CO)の連続モニタリングをおこなった(図36・2)．彼らの実現した感度は，CH₄とHDOで約1 ppmv(体積比で10ppm)，N₂Oで1 ppbv(体積比で10 ppb)以下と，たいへん高いものであった．PSI社ではNO，SO₂，SO₃に対する観測システムも開発中とのことである．

アメリカでNASAは，テラヘルツ気体レーザーの開発に乗り出している¹⁴⁾．これは2004年に予定されている地球観測衛星Auraに搭載予定で，オゾンの枯渇を起こす原因の一つであるヒドロキシル(OH)ラジカルを2．5 THz帯で観測しようとしている．このレーザーでは75 MHzのRF源が9.69 μmのCO₂レーザーを励起し，これがメタノール蒸気を基底振動状態から第一励起振動状態に励起し，この振動励起状態の回転遷移によって2．5 THz(118．8 μm)出力を得るものとのことである．

自由電子レーザー(FEL)は波長領域，強度の点で魅力がある．レーザー学会刊「レーザー研究」誌2003年12月号は「中赤外自由電子レーザーが拓く応用研究」特集号であるので参照されたい¹⁵⁾．FEL施設は日本では大阪大学大学院工学研究科自由電子レーザー研究施設(大阪府枚方市)，東京理科大学赤外自由電子レーザー研究センター(千葉県野田市)の2か所にあるが，この両施設で得られた成果として化学関連のものでは，粟津らによるプロテオミクス応用，医用応用，液晶の配向制御¹⁶⁾，能丸と黒田によるSi同位体分離¹⁷⁾が述べられている．

オランダのNieuwegeinにあるFEL施設FOM InstituteにはFELIX(free lectron laser for infrared experiments)¹⁸⁾があり，600~1800 cm^-1の全領域で40~60 mJの出力が得られる．これを利用した研究としてアメリカGeoergia大学のDuncanら¹⁹⁾による金属錯体の研究がある．DuncanらはAl^+-ベンゼン(C₆H₆)錯体の赤外スペクトルを，赤外共鳴増強多光子解離(IRREMPD)の結果得られるAl⁺イオンのアクションスペクトルとして測定した(図36・3)．730，990，1471 cm^-1に吸収帯が見出され，ベンゼン環の面外CH変角，全対称伸縮および面内CC環変角振動に帰せられた．全対称伸縮振動は遊離のベンゼン分子では赤外不活性であるが，Al⁺イオンと錯体を形成することによって出現したものである．

36・1・2 レーザーの化学応用